纯电动汽车是汽车行业的一次重大变革。为了减轻重量，必须在开发阶段的早早考虑动力总成电气化、合适的材料和相关制造工艺。FEV和Impression Technologies (ITL)使用高压电池外壳的热成形淬火(HFQ)示例证明了这一点。
即使考虑更保守的情况，未来几年纯电动汽车 (BEV) 在欧洲、美国和中国等主要市场的份额也将大幅增加，如图1。根据这一情景，到 2040 年，仅在欧洲销售的车辆就有 88% 将由电池驱动，而美国和中国的电气化进程要慢得多。
必须能够集成动力电池，同时考虑对重量和整车总布置（vehicle package）的所有影响，包括对人体工程学和模块化的影响。从传统的 Cell-2-Module (C2M)到高度集成的 Cell-2-Vehicle (C2V) 概念，选择正确的结构集成水平和正确的概念方法需要是需要在开发最早期就做出的决定，并对整个开发和制造战略产生重大影响。完全集成的C2V概念可以实现封装和重量优化的最大潜力。另一方面，它显著降低了模块化和灵活性，并带来了物流、制造和装配流程以及认证方面的某些新挑战。
因此，结构上高度集成的 Cell-2-Pack (C2P) 方法可以是重量—封装和模块化—灵活性之间的合理解决方案和折衷方案。
一、 高效的概念评估
FEV 概念开发流程 (FCDP) 是同步工程方法与高效概念开发的结合，根据 Pugh 的说法，使用形态盒（morphological boxes）和决策矩阵方法（decision-matrix method）在早期阶段进行精益高效的概念评估。图 2描述了概念评估的三个基本阶段。计算机辅助工程/设计(CAE/CAD)的早期强有力参与可以对结构性能进行有效评估，并为结构概念奠定基础，见图 3。主剖面流程（master section process）和简化的表面模型减少了概念构思和评估阶段的设计工作，从而扩大了可以考虑的可能解决方案。通过早期参与制造过程模拟进行额外的前期加载（additional frontloading）确保了从第一个草图和构思开始就具有基本的制造可行性。
二、 案例分析
为了以高压电池外壳为例展示铝热成形的潜力，FEV为HFQ制造专家ITL开发了一种采用C2P方法的概念。在本案例研究中，概念开发流程FCDP方法用于概念开发并结合制造工艺模拟，以评估早期设计的制造可行性。
HFQ是一种粘塑性（viscoplastic）成形技术，涵盖合金材料卡、设计和模拟技术以及HFQ零件生产。它可以将高强度和超高强度、可热处理的铝合金板材成型为复杂的形状，非常适合车辆轻量化。HFQ具有可预测的更高成形性，可以实现减薄、零件集成和更紧密的半径进行优化（tighter radii）。在考虑零件和布置设计时，车辆设计团队可以尽早使用HFQ技术，并使用软件插件HFQ模块进行成形模拟，从而对所选合金的成形零件尺寸、厚度、性能和可成形性充满信心。
三、 HFQ制造工艺
制造工艺过程（图 4）包括将成形铝坯料加热至固溶温度，然后进行快速成形并同时进行模内淬火。接下来是必要的第二次修整或快速人工时效操作，以达到所需的组装零件强度并允许典型的机械连接。HFQ成形阶段在350至600 °C温度下进行，具体取决于合金，周期时间低于25秒。
HFQ的可成形性有助于通过单个或多个毛坯一次生产多个零件，进一步降低冲压力要求、材料需求和运营成本——特别是模具资本支出高达60%。HFQ的极高成形性可实现汽车行业各种铝冲压件的零件集成。例子包括高强度上部结构、门闭合内部、轨线、后围内部、灯罐、电池外壳和座椅。与多件式冷成型组件相比，HFQ 还通过多个零件生产来降低零件价格：通过实现更复杂的整体组件设计来替代单个组件，从而减少材料浪费、零件重量、设计时间、维护和工厂占地面积。
四、 基于HFQ的开发项目
ITL 在英国考文垂运营着一个 HFQ 技术中心，OEM可以在这里找到从设计可行性评估到完整原型和生产零件设计的支持。
这包括 HFQ 工具的交付和批量生产线的管理。一个例子是阿斯顿·马丁 DBX 豪华跨界 SUV 的高强度 6xxx 铝制车身安全单元。
ITL材料评估中心专注于开发用于HFQ工艺的HFQ材料卡，与供应商合作提供润滑、清洁和连接解决方案。作为重新定义材料可用性的一个例子，阿特拉斯·科普柯的 HFQ 7xxx SPR 连接解决方案可以列出。
高强度铝通过取代冷成型铝多件式组件，并为硼钢、温成型和超塑性成型提供有竞争力的替代品，为汽车行业带来好处。在保持强度的同时减轻部件重量是 HFQ 的明显优势。为了给电池创造更多的空间，从而进一步提高纯电动汽车的续航里程，封装的优势越来越受到人们的关注。
通过与德国 Fischer Group、中国Jet Wagon和美国Telos等HFQ汽车生产层合作伙伴签订的标准技术转让和准入协议，HFQ供应在全球范围内不断增长。这些合作伙伴关系对于为OEM提供更多选择非常重要。HFQ合作伙伴网络的建立是为了提供与供应链中将铝板安装到车辆上所需的一系列设备供应商和参与者的联系。
HFQ 开发的技术团队专注于突破成形性极限、加深拉深和收紧半径，同时减小规格以适应更广泛的合金牌号。合金知识和开发反映HFQ成形工艺的材料卡对于解决 OEM 设计问题至关重要。HFQ 材料卡可与商业成形模拟软件配合使用，并通过它们所支持的模拟来建立对成形性、损伤预测和工具表面的信心。当与 HFQ 模具和润滑策略相结合时，它们在 HFQ 零件生产中发挥着关键作用。
2021 年，ITL 与宝马、沃尔沃和 Constellium 合作开发和生产大型复杂形状的电池外壳盖，用于基于挤压的概念，从而深入了解电池设计过程以及当时的设计策略限制包装的地方。
最近与FEV合作的外框架项目展示了使用HFQ寻找更好的设计和包装解决方案所提供的自由类型。
五、 电池外壳的外框架（exoskeleton）概念
在铝电池外壳的概念开发过程中，FEV还考虑了所有相关的制造工艺、材料和连接技术。在该项目中，重点明确地展示了在合理区域使用 HFQ 部件的潜力。一般来说，HFQ工艺允许冲压工艺中的小半径和低拔模角（tight radii and low draft angle）。电池外壳部件设计的这些优势可以实现电池组的优化封装。为了进一步增加电池的封装尺寸，FEV在电池外壳方面采用了其专利外框架概念。该概念考虑了电池外部区域的高结构性能以及作为整车白车身(BiW)结构一部分的电池外壳的高结构集成，见图5。在这里，HFQ技术可以提高结构性能，例如外框架结构中外壳顶盖的半径和拔模角减小。这实现重量能量密度最大化。
将内部横梁的功能和结构性能转移到电池外壳的外部结构可以为C2P方法提供结构布置，从而允许电池组下方的结构力流分布以及较低能量吸收结构与BiW的直接耦合。这种关键结构元件的直接耦合可实现高效的负载转移，这是当今传统电池外壳技术无法实现的。该电池组的可用于电池单元的内部空间保持不被结构部件分割，从而具有以下优点：
l 与现有解决方案相比，内部电池封装最大化且复杂度较低
l 对电池形状和类型选择的限制较少
l BiW 和电池外壳的连接优化。
后者是由于额外的较低电池负载路径，从而优化了负载分配。
所提出的设计具有其他电池包无法实现的灵活性。通过将电池和结构集成的所有功能与底板结构结合起来，C2P 或 C2V 电池集成的应用完全可供选择，无需修改电池组的基本结构。
六、 回收合金
合金供应商还想了解HFQ是否具有其他优势，是否将其合金列入HFQ材料卡并展示其能力。最近与Gränges合作的一项计划证明了其用于汽车和航空航天零件的100%回收6xxx合金的可成形性。ITL正在继续研究利用更高回收含量的6xxx 合金以及铝废料市场上的回收材料的机会。
HFQ-R 是铝板的可持续解决方案，可减少更广泛的汽车生产影响。除了更高的回收含量、更小的毛坯尺寸之外，集成零件的可能性以及使用更高强度的合金与 HFQ 使得能够用更薄的板材生产更坚固的部件 - 所有这些都减少了最终产品的碳。
HFQ-R 零件的目标是通过超再生合金提供所有可成形性和性能优势，作为 OEM 低成本解决方案的一部分。
七、 总结
作为一家独立的工程服务提供商，FE 始终致力于通过新技术和工艺增加设计机会组合，为结构部件设计定制解决方案。HFQ实现了新的复杂设计，并且所执行的概念开发项目显示了结构高度集成的高压电池解决方案领域的潜在应用。铝及其可回收性可以支持遵守车辆的碳排放限制。HFQ可以成为将低碳、高强度铝引入汽车生产的推动者。
来源：Hog, M., Kürten, C., Offermanns, Y. et al. Integral Battery Housing Design Thanks to Advanced Simultaneous Engineering and HFQ. ATZ Worldw 126, 60–65 (2024).
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